Podsystem cieplnoenergetyczny Podstawowe pojęcia i definicje System ciepłowniczy obejmuje zespół urządzeń powiązanych funkcjonalnie, służących do wytwarzania (źródła ciepła), przesyłania (rurociągi przesyłowe) i rozdzielania ciepła pomiędzy użytkowników (sieć rozdzielcza, węzły ciepłownicze. Główne zadania systemów ciepłowniczych: przygotowanie ciepłej wody użytkowej, przygotowanie gorącej wody lub pary i ich dostawa na potrzeby technologiczne z centralnych źródeł ciepła, dostawa odbiorcom mediów energetycznych (ciepła) odpowiedniej jakości i w odpowiedniej ilości, zarówno do ogrzewania pomieszczeń jak i do celów higieniczno-sanitarnych. Źródła ciepła w systemie ciepłowniczym: CIEPŁOWNIE, czyli zakłady w których są urządzenia do zamiany energii zawartej w paliwie na ciepło w parze lub wodzie gorącej, ELEKTROCIEPŁOWNIE, czyli zakłady w których są urządzenia wytwarzające jednocześnie ciepło i energię elektryczną, (tzw. układy skojarzone lub inaczej kogeneracyjne). 53
Tabela 15. Potencjał ciepłowniczy według województw w 2005 r. Wyszczególnienie Moc zainstalowana [MW] Długość sieci ciepłowniczej [km] Dolnośląskie 3 751,2 1 370,9 Kujawsko-pomorskie 6 275,3 1 138,7 Lubelskie 2 994,9 944,3 Lubuskie 1 294,0 313,4 Łódzkie 4 263,4 1 356,8 Małopolskie 4 714,3 1 447,9 Mazowieckie 9 781,4 2 839,5 Opolskie 1 899,8 538,4 Podkarpackie 2 511,8 811,0 Podlaskie 1 512,7 515,1 Pomorskie 3 960,9 1 281,2 Śląskie 12 533,9 3 185,9 Świętokrzyskie 1 435,3 400,5 Warmińsko-mazurskie 1 522,8 550,4 Wielkopolskie 3 769,5 1 106,9 Zachodniopomorskie 2 968,2 776,2 Polska 65 189,4 18 577,1 Źródło: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006 100-500 MW 13.7% powyżej 500 MW 4.4% brak mocy 9.3% 5 MW i poniżej 13.1% brak mocy 5 MW i poniżej 5-20 MW 20-100 MW 35.6% 5-20 MW 23.9% 20-100 MW 100-500 MW powyżej 500 MW Źródło: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006 Rysunek 30. Struktura przedsiębiorstw ciepłowniczych według mocy osiągalnej w 2005 r. 54
90 80 79.1 78.3 70 60 50 2002 2005 40 30 20 10 0 węgiel kamienny 0.5 0.3 olej opałowy lekki 8.5 7.8 olej opałowy ciężki 4.1 5.0 5.3 2.5 3.9 4.7 gaz ziemny biomasa pozostałe Wg: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006 Rys. 31. Procentowa struktura zużycia paliw w ciepłownictwie w 2002 i 2005 r. Kilka liczb dotyczących ciepłownictwa w Polsce Moc zainstalowana koncesjonowanych przedsiębiorstw ciepłowniczych ok.: 65 tys. MW, Moc osiągalna ponad 62 tys. MW. Długość sieci ciepłowniczych - ponad 18 tys. km. Ciepło dostarczone do odbiorców przyłączonych do sieci ok. 300 000 TJ największa elektrociepłownia zawodowa: Warszawa Siekierki: moc cieplna kotłów - 2014 MW, moc elektryczna zainstalowana - 622 MW największa ciepłownia: Warszawa Kawęczyn moc cieplna kotłów - 605 MW 55
Tabela 16. Produkcja i rozdysponowanie wytworzonego ciepła w latach 2002-2005 Lata Liczba przedsiębiorstw ogółem Wytwarzanie ciepła w tym w pełnym skojarzeniu w niepełnym skojarzeniu Odzysk Zużycie ciepła na potrzeby własne Ciepło oddane do sieci Straty ciepła Ciepło dostarczone do odbiorców przyłączonych do sieci [TJ] 2002 849 467 527,8.. 24 939,7 156 424,6 336 043,0 37 104,9 298 938,1 2003 813 460 722,7.. 29 558,6 140 845,4 349 435,8 36 862,8 312 573,1 2004 782 442 549,5 220 834,8 54 267,5 27 619,8 139 474,0 330 695,2 37 126,3 293 568,9 2005 665 430 217,9 212 592,2 61 906,9 28 435,9 128 897,8 329 756,1 36 971,3 292 784,8 Źródło: Biuletyn URE Nr 3, maj 2007 r. - Sprawozdanie z działalności Prezesa URE - 2006 53
Typowe układy ciepłownicze a) b) Rys. 32. Układy ciepłownicze: a) zasilanie sieci cieplnej parowej z ciepłowni, b) zasilanie sieci wody gorącej z elektrociepłowni. 1 kocioł, 2 rurociąg parowy, 3 wymiennik ciepła, 4 pompa skroplin, 5 rurociąg skroplin, 6 zbiornik wody zasilającej, 7 pompa wody zasilającej, 8 instalacja ciepłej wody użytkowej, 9 instalacja grzewcza, 10 - pompa wody obiegowej, 11 przegrzewacz pary, 12 zawór redukcyjny, 13 turbina przeciwprężna, 14 turbina upustowo-kondensacyjna, 15 skraplacz, 16 pompa obiegowa sieci cieplnej, 17 rurociąg wody zasilającej, 18 rurociąg powrotny, 19 kocioł wodny szczytowy. 53
Podstawowe definicje: Ciepłem wytworzonym W w energią cieplną wytworzoną w źródle ciepła nazywa się różnicę energii zawartej w nośniku ciepła oddawanym do sieci i powracającym do źródła. Mocą cieplną Q nazywa się ilość ciepła wytwarzanego, przesyłanego lub przetwarzanego w jednostce czasu. Pracą (ciepłem oddanym) W o nazywa się różnicę energii cieplnej zawartej w nośniku ciepła (parze, wodzie gorącej) przed i za odbiornikiem. Q w =f(τ) - zapotrzebowanie na ciepło do wentylacji Q cwu =f(τ) - zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej Q o =f(τ) - zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń, Q c =f(τ) - łączne zapotrzebowanie na ciepło T z temperatura zewnętrzna τ - czas [doby] Rys. 33. Przykład wykorzystania wykresu uporządkowanego sumarycznego zapotrzebowania ciepła do celów ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej. 54
Rys 34. Wykres zapotrzebowania ciepła do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej Czas trwania okresu ogrzewniczego w Polsce wynosi ok. 4 800 h/a i zmienia się w pewnych granicach w zależności od strefy klimatycznej. W okresie letnim zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej wynosi ok. 10-20% szczytowego obciążenia cieplnego. Podsumowanie: Uporządkowany wykres obciążeń cieplnych dobrze charakteryzuje sposób pracy systemu ciepłowniczego i jest niezbędny przy projektowaniu jego elementów, a przede wszystkim źródeł ciepła. Maksymalne obciążenie szczytowe Qs występuje przy najniższej temperaturze (tzw. obliczeniowej) w danej strefie klimatycznej. 55
Rys. 35. Podział Polski na strefy klimatyczne 56
a) Ogrzewanie osiedla bez przygotowania ciepłej wody użytkowej b) Ogrzewanie osiedla z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej c) Ogrzewanie zakładu przemysłowego o całorocznych potrzebach technologicznych Rys. 36. Uporządkowane wykresy zapotrzebowania na ciepło Rys. 37. Schemat obiegu ciepłowniczego z turbiną przeciwprężną 1 kocioł, 2 turbina, 3 odbiornik ciepła, 4 pompa wody zasilającej, 5 stacja redukcyjno-schładzająca, 6 przekładnia, 7 - prądnica 57
Źródła ciepła w systemach ciepłowniczych 1. elektrociepłownie na paliwa organiczne, 2. elektrociepłownie jądrowe, 3. ciepłownie na paliwa organiczne, 4. ciepłownie jądrowe, 5. specjalne centrale ciepła (np. zespoły siłownianociepłownicze z silnikami spalinowymi, instalacje dużych pomp ciepła). Elektrociepłownie (ciepłownie) przemysłowe elektrociepłownie lub ciepłownie zainstalowane w zakładach przemysłowych, dostarczające ciepło na potrzeby technologii i ogrzewania jednego lub grupy zakładów przemysłowych. Rys. 38. Schemat obiegu ciepłowniczego z turbiną upustowo-kondensacyjną 1 kocioł, 2 turbina, 3 upust, 4 zawór między częścią wysoko- i niskoprężną turbiny, 5 odbiornik ciepła, 6 skraplacz, 7 zbiornik skroplin, 8 pompa wody zasilającej kocioł, 9 pompa skroplin, 10 stacja redukcyjno-schładzająca 58
Elektrociepłownie (ciepłownie) zawodowe lub komunalne - elektrociepłownie lub ciepłownie dostarczające głównie ciepło do ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej, należące do resortu energetyki. Rys. 39. Poglądowy bilans energii a) elektrownia kondensacyjna; b) ciepłownia; c) elektrociepłownia. 59
Sieci cieplne 1. Sieci wodne a) parametry wody gorącej: ciśnienie: 1,0 1,5 MPa, maks. temperatura: ~ 150 o C, prędkość przepływu wody 1 3 m/s, średnica rurociągów budowanych w Polsce: do 1100 mm, odległość przesyłu czynnika roboczego do 25 km. b) Najczęściej stosowany układ: dwuprzewodowy (przewód zasilający i powrotny). c) Zalety: niższa niż przy parze temperatura umożliwiająca pełniejsze wyzyskanie ciepła w turbinach, łatwość regulacji temperatury i ciśnienia w sieci (regulacja w źródle ciepła), pojemność cieplna sieci wodnej umożliwia w pewnych przypadkach krótkotrwałe przerwy w dostawie ciepła, stałe wypełnienie rurociągów gorącą wodą zmniejsza korozję. 2. Sieci parowe Parametry pary: ciśnienie: 0,1 1,6 MPa, temperatura: trochę wyższa od temperatury nasycenia, ekonomiczny zasięg poniżej 4 km. Sposoby budowania sieci cieplnych a) nadziemne, b) podziemne bezkanałowe kanałowe (obecnie przestarzałe stosowane w szczególnych przypadkach) 60
Sieć ciepłownicza nadziemna układana na niskich podporach Sieć ciepłownicza nadziemna układana na wysokich stalowych słupach Sieć ciepłownicza układana na maszcie Sieć ciepłownicza układana na estakadzie Podwieszone przejście sieci ciepłowniczej przez rzekę Rys. 40. Rozwiązania konstrukcyjne szczególnych przypadków prowadzenia sieci ciepłowniczych 61
Rurociągi ciepłownicze wykonane w technologii preizolowanej Rys. 41. Preizolowana rura typu Spiropan (dla sieci napowietrznych) Rys. 42. Rury preizolowane dla sieci parowych (PUR - twarda pianka poliuretanowa) Rury i kształtki preizolowane w płaszczu HDPE (ang. high density polyethylene) Rury preizolowane z rurą stalową czarną pojedynczą lub podwójną w płaszczu HDPE przeznaczone są do budowy sieci ciepłowniczych układanych bezpośredniego w gruncie do przesyłu medium grzewczego pod ciśnieniem do 2,5MPa i temperaturze do 160 C. 62
ZALETY STOSOWANIA ELEMENTÓW PREIZOLOWANYCH: obniżenie kosztów budowy od 15% do 40% w zależności od średnicy rurociągów, zmniejszenie strat ciepła na przesyle, skrócenie czasu budowy o 40%, trwałość rurociągu min. 30 lat. Sposoby kompensacji wydłużania i skracania się rurociągów: a) kompensacja naturalna (układanie przewodów w linii łamanej), b) stosowanie kompensatorów (U-kształtowe, dławicowe, faliste). c) osiowe kompensatory mieszkowe, stalowe dla sieci kanałowych lub preizolowane, mieszki kompensacyjne wykonane są ze stali nierdzewnej i projektowane na minimum 1000 pełnych cykli. Węzły cieplne Zadania węzłów cieplnych: - przekazywanie ciepła z sieci do instalacji wewnętrznej, - zmiana wysokich parametrów wody sieciowej na niższe wymagane w instalacji, - wymuszanie krążenia czynnika grzejnego w instalacji wewnętrznej, - zabezpieczenie instalacji wewnętrznej przed wzrostem ciśnienia powyżej dopuszczalnego. Typy węzłów stosowanych w Polsce: - wymiennikowe, - hydroelewatorowe, - zmieszania pompowego. 63
Węzły wymiennikowe łączą dwa niezależne obiegi wody (w sieci cieplnej i w instalacji). Przez wymienniki zasila się zawsze instalację ciepłej wody użytkowej, gdyż ze względów higienicznych woda ta musi pochodzić z sieci wodociągowej. Węzły hydroelewatorowe (z pompami strumieniowymi) mieszają wodę zasilającą z sieci cieplnej z wodą powracającą z instalacji centralnego ogrzewania obniżając ciśnienie i temperaturę wody sieciowej do poziomu wymaganego w instalacjach wewnętrznych (wymagają stałego przepływu wody sieciowej). Węzły zmieszania pompowego w których woda zasilająca jest mieszana z wodą powrotną i po obniżeniu temperatury jest dostarczana do instalacji wewnętrznej. Rys. 43. Rozkład temperatur wody w hydroelewatorze t 1 temperatura wody zasilającej z sieci cieplnej, t 2 temperatura wody powrotnej z sieci cieplnej, t 3 temperatura wody zasilającej instalację CO t1 t3 α = t t 3 2 64
Regulacja dostawy ciepła Q& = G N c w ( t t ) d p gdzie: G N natężenie przepływu wody sieciowej [kg/s], c w ciepło właściwe wody [MJ/(kg o C)], t d, t p temperatury wody w rurociągu zasilającym i powrotnym [ o C] Typy regulacji: - jakościowa, polegająca na zmianie temperatur t d i t p przy stałym natężeniu przepływu wody G N, - ilościowa, polegająca na zmianie natężenia przepływu wody G N przy stałych temperaturach wody t d i t p, - mieszana (jakościowo-ilościowa), polegająca na zmianie natężenia przepływu wody G N i zmianie temperatur t d i t p. 65
t d, t p [ o C] 160 140 t d 120 100 80 t p 60 40 20 0 20 10 0-10 20 30-40 -50 t z [ o C] Rys. 44. Wykres regulacji jakościowej t d, t p [ o C] t d t p t z [ o C] Rys. 45. Wykres regulacji ilościowej 66
t d, t p [ o C] 160 140 t d 120 100 80 t p 60 40 20 20 15 10 5 0 5 10-15 -20 t z [ o C] Rys. 46. Wykres regulacji mieszanej Koszty wytwarzania ciepła Całkowite koszty roczne (dla ciepłowni w [zł/rok]): K = K r + K + K c n(o) gdzie: K n(o) zdyskontowane nakłady inwestycyjne na budowę ciepłowni; K es - roczne koszty eksploatacyjne stałe (koszty remontów, obsługi); K ez - roczne koszty eksploatacyjne zmienne (koszty paliwa, wody oraz materiałów zużytych do produkcji) r - rata rozszerzonej reprodukcji es ez 67
Jednostkowy koszt wytwarzania energii cieplnej (w zł/gj): k c Kc = W r = K n ( o) + K W es r + K ez gdzie: Wr roczna produkcja ciepła w [GJ] W przypadku elektrociepłowni powinny być spełnione warunki: K eec K EK K cec KcZ przy czym: K eec roczny koszt wytwarzania energii elektrycznej w elektrociepłowni w [zł/a]; K cec roczny koszt wytwarzania energii cieplnej w elektrociepłowni w [zł/a]; K EK roczny koszt wytwarzania energii elektrycznej w zastępczej elektrowni kondensacyjnej w [zł/a]; K cz roczny koszt wytwarzania energii cieplnej w zastępczej ciepłowni [zł/a]; Koszty przesyłania ciepła Całkowite koszty roczne (dla ciepłowni w [zł/a]): K t = Kn(o) r + Kr + Kp + Kep + Ksc 1444 2444 3 t n(o) K e K = K r + K e gdzie: K r roczne koszty stałe rurociągów; K p - roczne koszty stałe przepompowni; K ep - roczne koszty energii elektrycznej na pompowanie wody; K sc - roczne koszty strat ciepła; 68
Korzyści z rozwoju podsystemu cieplnoenergetycznego (w tym zadania na przyszłość): - zmniejszenie zużycia paliwa na skutek poprawy sprawności palenisk; - możliwość spalania gorszych gatunków węgla w dużych ciepłowniach i elektrociepłowniach; - wprowadzenie gospodarki skojarzonej cieplnoenergetycznej, która przynosi oszczędności paliwa w skali kraju; - mniejsza materiałochłonność inwestycyjna z powodu zmniejszonej liczby urządzeń; - zmniejszenie kosztów transportu; - zmniejszenie kosztów obsługi; - użytkowanie gazu w małych ciepłowniach komunalnych; - użytkowanie gazu w małych ciepłowniach i elektrociepłowniach przemysłowych; Zalety dla mieszkańcow - zmniejszenie wysiłku indywidualnego ludzi; - poprawa komfortu cieplnego; - zmniejszenie niebezpieczeństwa pożarowego; - zmniejszenie niebezpieczeństwa zatrucia spalinami. 69